自制简易蒸汽机

　　

　　许多人都认为詹姆士、瓦特(James Watt)发明了蒸汽机，但这不是事实。蒸汽机不是瓦特发明的，然而瓦特在改良蒸汽机的过程中，确曾作出最重要的贡献。

　　近代比较像样的蒸汽机，可以从17世纪晚期汤姆士、塞维利(Thomas Savery)设计的蒸汽机谈起。起初的这具蒸汽机，利用封闭容器中的水蒸汽，将煤矿中的积水排出，接着冷却该封闭容器，在容器中形成低压状态，以便再度使矿坑中的积水进入该容器中，重复这样的过程就能发挥抽水的功能。

　　1712年汤姆士、纽科门(Thomas Newcomen)改进了塞维利的设计，利用压力较大的蒸汽推动汽缸中的活塞，接着冷却汽缸，形成低压的状态而推回活塞，这活塞再经过连杆拉动抽水装置，可以抽出更深的矿井积水。

　　纽科门蒸汽机可以说得上是瓦特蒸汽机的前身。1763年瓦特在格拉斯古大学(Glasgow University)修理纽科门蒸汽机，发现了纽科门蒸汽机有许多缺点。瓦特首先将冷却蒸汽的过程改放在另外的冷凝器中进行，大大提高了使用热能的效率，并在往后三十年间持续改良蒸汽机，发展出有曲柄、飞轮的往复式蒸汽机。

　　往复式蒸汽机构造精巧，运转时各部零件一起连动，力与美的结合相当引人入胜。在课堂上演示一具主要活动零件 (包括活塞、气阀等)均可透视的透明蒸汽机(见图1)，一定可以调动学生学习的兴趣。这具蒸汽机的汽缸是玻璃制的，活塞则用厚纸板制成，分流盒的部分构造则以透明压克力包覆，务求内部构造一目了然(见图2)，凸显和协律动之美。为了安全和维修方便起见，这具蒸汽机不用蒸汽推动，而改用空气推动。在这具透明蒸汽机的蒸汽出口处接上吸尘器，则大气从进口灌入蒸汽机中，就像水蒸汽灌入蒸汽机一样，也能驱动这具用不同材料拼凑起来的蒸汽机快速运转。(如果实验室中有吹气机，例如：气垫轨要用的吹气机，在这具透明蒸汽机的蒸汽进口处直接接上吹气机，也能驱动这具蒸汽机运转。)

　　所需的材料如下：

　　(1)内直6 cm，长12 cm的玻璃管一支。

　　(2)厚约2 mm的压克力板一片。

　　(3)硅胶管(软的管子即可)。

　　(4)轴承(培林)两个，内径4 mm。

　　(5)木板二块，木条若干支。

　　(6)直径4 mm、2 mm的木杆若干支。

　　(7)厚纸一片。

　　制作过程：

　　甲、汽缸的部份：

　　将厚纸剪成直径恰略小于玻璃管内径的圆片，此圆片即作为活塞。可想而知，此圆片不可能完全密封玻璃管，但只要大致能与玻璃管内径一致，且可于玻璃管中轻易滑动即可。圆片中心钻一个直径4 mm的小孔。在另一小片木板上钻一直径4 mm的小孔，藉由此小片木板，将圆厚纸活塞与直径4mm木杆制成的连杆(见图3 ) 结合在一起，而且使圆厚纸片垂直木质连杆。

　再用两片木板制作此玻璃管汽缸的支架，其中之一钻一个直径4.5 mm的小孔，并在旁边钻一个直径13 mm的小孔;另一片则钻一个直径13 mm的小孔即可，先将纸活塞和木连杆放在玻璃汽缸中，让木连杆从木板支架上4mm直径的孔伸出，再用AB胶，将玻璃管与木材支架密接，于是把纸活塞密封在玻璃管汽缸中。将木板支架用AB胶黏在木板底座上，直径4 mm的连杆从木支架上的孔穿出后，要再立一个直立于底座的小支架，此小支架上端有一个直径约4.5 mm的孔，可容纳连杆的另一端(见图4 ) 。

　　乙、分流盒的部分：

　　分流盒的构造如图5所示的透视图，其主要的功能是:利用口形木框的往复移动，改变空气的通道，使空气改变流动的路径，而能往复推动玻璃汽缸中的纸活塞。一共动用五片木板制作分流阀盒子。下方一片，两侧木板之一的上半部钻一个直径13 mm的孔，另一侧木板的下半部则钻三个直径13 mm的孔(此三孔中之左右分别经硅胶管连通玻璃汽缸支架上直径13 mm的小孔)。再用两木板作黏在前后，其中一片木板上钻一个直径4.5 mm的小孔。

　　图5分流盒的构造。两侧木板之一的上半部钻一个直径13 mm的孔，另一侧木板的下半部则钻三个直径13 mm的孔。前后木板之一钻一个直径4.5 mm的小孔。此盒中要恰好容纳一个口字型的木框在其中滑动。口字型的木框在左方时，气流从右侧孔，经右侧硅胶管，推动活塞，再将空气经左侧硅胶管，经左侧孔，导入分流盒中的口字型的木框，再从中间孔中排出;口字型的木框在右方时，过程即相反。

　　参见图6，此盒中要恰好容纳一个口字型的木框在其中滑动，此口字型木框与另一个直径4mm的连杆连结，此直径4 mm的连杆从盒子前方木板的直径4.5 mm的小孔穿出，穿出之后也由另一根上方钻有直径4.5 mm小孔的直立支架容纳其另一端(参见图7)。此口字型的木框即为分流气阀，口字型的木框在左方时，即可引导气流，从三个直径13 mm的孔之右侧孔，经右侧硅胶管，推动活塞，再将空气经左侧硅胶管，经左侧孔，导入分流盒中的口字型的木框，再从中间孔中排出;口字型的木框在右方时，过程即相反。最后此木盒上方用压克力闭封，使人能看到口字形木框作动的情形。

　　

　　丙、音叉状连杆：

　　紧接着，须制作两音叉状连杆，如图8所示。为减轻重量此两支音叉状连杆上可多钻些孔。这两支音叉状连杆，借着如图9所示的木质简易轴承和直径2mm的木质插鞘，分别连接活塞的连杆和口字形木框的连杆。

　　丁、飞轮的部份：

　　见图10，用厚纸即可制作飞轮，飞轮两侧分别用一小块木片将飞轮固定在直径4mm的木质转轴上，此木质转轴藉两个滚珠轴承安装在支架上，转轴两侧黏牢两个曲柄和曲轴，此两曲柄互相夹90°角。将两叉状连杆再连接此两曲柄上的曲轴，这具蒸汽机及大功告成。

　　操作时。只要打开吸尘器，用吸尘器的吸管“吸”分流盒的下半部三个孔的中间孔(出口)，空气立即由分流盒的另一侧上半部单孔(进口)进入蒸汽机(参见图5)推动活塞，此蒸汽机即快速转动起来，所有活动零件运动的情形均可见。

　　相较于普通物理学中其他分支，热学的实验较少，这具蒸汽机除了散发出怀旧的古老味之外，也有助于在工业革命的反思中，演示热学的核心主题。要放大这具蒸汽机的尺寸、增加它的透明度均非难事，把玩制作之间乐趣无穷。

　　

　　

　　特简蒸汽机全貌

　　特简蒸汽机局部一

　　特简蒸汽机局部二